專利名稱：量子級聯(lián)探測器結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光電探測技術，尤其涉及一種量子級聯(lián)探測器結構。
背景技術：
紅外探測器是一類具有重要應用價值的探測器，其應用涵蓋了軍事、醫(yī)療、科學研 究以及日常生活的各個領域，不斷探索和發(fā)展新型、高性能的紅外探測器具有重要意義。目 前，作為紅外焦平面探測元的探測器主要為光導型的HgCdTe紅外探測器或光導型的量子 阱紅外探測器。由于光導型探測器外加電場會引入比較大的暗電流，從而容易飽和紅外焦 平面陣列的讀出電路電容并帶來比較大的暗電流噪聲和功耗，因此不需要外加電場，依靠 光伏效應工作的光伏型紅外探測器始終受到廣泛關注和研究，但是通常的光伏型紅外探測 器在探測率和工作溫度上始終不及光導型紅外探測器。提高光伏型紅外探測器的探測性能 是目前紅外探測器的主要研究方向之一。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種不同于現(xiàn)有光伏型量子阱紅外探測器探測機理的量 子級聯(lián)探測器結構?，F(xiàn)有的光伏型紅外量子阱探測器的思路是通過光電子與雜志中心分離 形成極化勢而產生光伏電壓，而本發(fā)明通過特殊的階梯形的能帶結構設計提供單向的電子 輸運，從而產生光伏電流，因此具有更強的光伏響應，并具有更高的器件電阻以及更低的噪 聲和功耗，而量子級聯(lián)探測器中的強電子-聲子相互作用使激發(fā)電子弛豫時間比帶間復合 時間要短很多。因而量子級聯(lián)探測器比常規(guī)的光導型量子阱探測器以及現(xiàn)有的光伏型紅外 量子阱探測器具有更高的探測率和更好的頻率性能。在工作溫度方面，本發(fā)明的量子級聯(lián) 探測器在一定波長下已經(jīng)達到室溫工作。本發(fā)明提供一種量子級聯(lián)探測器結構，包括一襯底；一下歐姆接觸層，該下歐姆接觸層制作在襯底上，該下歐姆接觸層進行高濃度摻 雜從而實現(xiàn)與電極材料的歐姆接觸；—勢壘隔離層，該勢壘隔離層制作在下歐姆接觸層上的中間部位，使下歐姆接觸 層的四周形成臺面，該勢壘隔離層不摻雜；一多周期的有源區(qū)結構層，該多周期的有源區(qū)結構層制作在勢壘隔離層上，該多 周期的有源區(qū)結構層是實現(xiàn)探測器的探測光電流的核心部位；一上歐姆接觸層，該上歐姆接觸層制作在多周期的有源區(qū)結構層上，該上歐姆接 觸層進行高濃度摻雜從而實現(xiàn)與電極材料的歐姆接觸；一上電極，該上電極制作在上歐姆接觸層上； 一下電極，該下電極做在下歐姆接觸層四周的臺面上。其中所述的襯底的材料為砷化鎵或磷化銦。其中所述的襯底的底面的一側形成一 45度的斜面。
其中所述的下歐姆接觸層的材料為砷化鎵或銦鎵砷。其中所述的勢壘隔離層的材料為砷化鎵或銦鎵砷。其中所述的多周期的有源區(qū)結構層的周期數(shù)為10-50個。其中所述的多周期的有源區(qū)結構層的每一周期結構由多個量子阱組成，每個量子 阱由不同厚度的勢壘層隔離，第一個量子阱最寬，并進行高濃度摻雜，電子在該阱中發(fā)生光 激發(fā)躍遷，第二個及以后的量子阱均不摻雜，第二個量子阱最窄，隨后的量子阱寬度逐漸加 寬直至接近第一個量子阱的寬度。其中所述的有源區(qū)結構層的每一周期結構中的量子阱的材料為砷化鎵或銦鎵砷， 勢壘層的材料為鋁鎵砷或銦鋁砷。其中所述的上歐姆接觸層的材料為砷化鎵或銦鎵砷。
為了進一步說明本發(fā)明的特征和效果，下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進 一步的說明，其中圖1為本發(fā)明的實施例，其是量子級聯(lián)探測器結構的截面示意圖。圖2為按圖1所述的實施例中，其一個周期的有源區(qū)的能帶示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種量子級聯(lián)探測器結構，包括一襯底10，該襯底10的材料為砷化鎵或磷化銦，該襯底10的底面的一側形成一 45度的斜面，這是由于量子級聯(lián)探測器的子帶躍遷只能吸收入射光的TM極化分量，入射光 垂直該45度斜面入射；一下歐姆接觸層20，該下歐姆接觸層20制作在襯底10上，該下歐姆接觸層20進 行高濃度摻雜從而實現(xiàn)與電極材料的歐姆接觸，該下歐姆接觸層20的材料為砷化鎵或銦 鎵砷，摻雜為硅摻雜，濃度一般為lX1018cm_3 ；一勢壘隔離層30，該勢壘隔離層30制作在下歐姆接觸層20上的中間部位，使下歐 姆接觸層20的四周形成臺面，該勢壘隔離層30不摻雜，該勢壘隔離層30的材料為砷化鎵 或銦鎵砷，厚度一般為2-5nm ；—多周期的有源區(qū)結構層40，該多周期的有源區(qū)結構層40制作在勢壘隔離層30 上，該多周期的有源區(qū)結構層40是實現(xiàn)探測器的探測光電流的核心部位，該多周期的有源 區(qū)結構層40的周期數(shù)為1050個，本實施例的周期數(shù)為30個，該多周期的有源區(qū)結構層 40的每一周期結構由多個量子阱組成，每個量子阱由不同厚度的勢壘層隔離，第一個量子 阱最寬，并進行高濃度摻雜，電子在該阱中發(fā)生光激發(fā)躍遷，第二個及以后的量子阱均不摻 雜，第二個量子阱最窄，隨后的量子阱寬度逐漸加寬直至接近第一個量子阱的寬度，該有源 區(qū)結構層40的每一周期結構中的量子阱的材料為砷化鎵或銦鎵砷，勢壘層的材料為鋁鎵 砷或銦鋁砷；一上歐姆接觸層50，該上歐姆接觸層50制作在多周期的有源區(qū)結構層40上，該上 歐姆接觸層50進行高濃度摻雜從而實現(xiàn)與電極材料的歐姆接觸，該上歐姆接觸層50的材 料為砷化鎵或銦鎵砷，摻雜為硅摻雜，濃度一般為lX1018cm_3 ；
一上電極60，該上電極60制作在上歐姆接觸層50上；一下電極70，該下電極70做在下歐姆接觸層20四周的臺面上。以下詳細說明上述所提供的量子級聯(lián)探測器結構的有源區(qū)結構層40設計依據(jù) 和設計方法。以探測波長為10. 7 y m的量子級聯(lián)探測器為例，如圖2所示，量子級聯(lián)探 測器的一個周期的有源區(qū)能帶結構設計為第一個量子阱為硅摻雜量子阱，摻雜濃度為 4. 5X1017cm-3,該量子阱最寬，寬度為105 A。第二個量子阱不摻雜，該量子阱最窄，寬度為 39 A。第三和第四個量子阱均不摻雜，并且寬度逐漸加寬，分別為50 A和68 A。四個勢壘 厚度分別為52 A、47 A、48 A和44 A。由于第一個量子阱中的第一激發(fā)態(tài)和與之相鄰 的第二個量子阱基態(tài)能級高度交疊，因此光激發(fā)的電子通過隧穿從第一個量子阱的第一激 發(fā)態(tài)進入第二個量子阱的基態(tài)。由于隨后的量子阱阱寬逐漸加寬，相鄰量子阱的基態(tài)能量 的間隔形成一個個接近一個長縱光學聲子的能量臺階，光激發(fā)電子通過強電子_聲子相互 作用，以類似下臺階的形式迅速釋放能量弛豫回到下一個周期的摻雜量子阱，在到達下一 個周期的摻雜量子阱后，重復之前所述的光激發(fā)過程。對于其它探測波長的量子級聯(lián)探測 器，有源區(qū)結構層40中的量子阱和勢壘的寬度及數(shù)量均由探測波長決定。電子如上所述的單向循環(huán)運動使量子級聯(lián)探測器能夠提供持續(xù)的光電流，該光電 流信號強度大于現(xiàn)有的光伏型紅外量子阱探測器。這帶來很多好處第一在探測時，量子級 聯(lián)探測器作為提供光電流的電流源，不需要任何外部偏置電壓，只需要對光電流進行放大， 因此大大簡化了測試電路。第二，量子級聯(lián)探測器的探測性能只受到熱噪聲的限制，由于 熱噪聲要比外加電場引起的暗電流的噪聲小很多，因而量子級聯(lián)探測器具有更好的噪聲特 性。第三，暗電流容易使讀出電路的電容達到飽和，因此通常光導型紅外焦平面陣列的積分 時間比較短。而量子級聯(lián)探測器的電流主要是光電流，其紅外焦平面陣列可以達到很長的 積分時間，成像更為清晰。第四，由于不需要外加電場，量子級聯(lián)探測器功耗小，發(fā)熱低，具 有更高的熱分辨率。第五，量子級聯(lián)探測器基于有源阱中束縛態(tài)到束縛態(tài)的子帶躍遷帶，因 此探測光譜線寬比較狹窄，從而減小了背景輻射的干擾，進一步提高了量子級聯(lián)探測器的 噪聲性能。第六，量子級聯(lián)探測器中強的電子_聲子相互作用使子帶間的電子弛豫時間比 帶間復合時間要短很多，并且沒有載流子積累效應，因此理論上量子級聯(lián)探測器的工作頻 率可以達到很高，非常適合作為高速光電器件。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內。
權利要求
一種量子級聯(lián)探測器結構，包括一襯底；一下歐姆接觸層，該下歐姆接觸層制作在襯底上，該下歐姆接觸層進行高濃度摻雜從而實現(xiàn)與電極材料的歐姆接觸；一勢壘隔離層，該勢壘隔離層制作在下歐姆接觸層上的中間部位，使下歐姆接觸層的四周形成臺面，該勢壘隔離層不摻雜；一多周期的有源區(qū)結構層，該多周期的有源區(qū)結構層制作在勢壘隔離層上，該多周期的有源區(qū)結構層是實現(xiàn)探測器的探測光電流的核心部位；一上歐姆接觸層，該上歐姆接觸層制作在多周期的有源區(qū)結構層上，該上歐姆接觸層進行高濃度摻雜從而實現(xiàn)與電極材料的歐姆接觸；一上電極，該上電極制作在上歐姆接觸層上；一下電極，該下電極做在下歐姆接觸層四周的臺面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)探測器結構，其中所述的襯底的材料為砷化鎵或磷 化銦。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的量子級聯(lián)探測器結構，其中所述的襯底的底面的一側形 成一 45度的斜面。
4.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)探測器結構，其中所述的下歐姆接觸層的材料為砷 化鎵或銦鎵砷。
5.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)探測器結構，其中所述的勢壘隔離層的材料為砷化 鎵或銦鎵砷。
6.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)探測器結構，其中所述的多周期的有源區(qū)結構層的 周期數(shù)為10-50個。
7.根據(jù)權利要求1或6所述的量子級聯(lián)探測器結構，其中所述的多周期的有源區(qū)結構 層的每一周期結構由多個量子阱組成，每個量子阱由不同厚度的勢壘層隔離，第一個量子 阱最寬，并進行高濃度摻雜，電子在該阱中發(fā)生光激發(fā)躍遷，第二個及以后的量子阱均不摻 雜，第二個量子阱最窄，隨后的量子阱寬度逐漸加寬直至接近第一個量子阱的寬度。
8.根據(jù)權利要求1或7所述的量子級聯(lián)探測器結構，其中所述的有源區(qū)結構層的每一 周期結構中的量子阱的材料為砷化鎵或銦鎵砷，勢壘層的材料為鋁鎵砷或銦鋁砷。
9.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)探測器結構，其中所述的上歐姆接觸層的材料為砷 化鎵或銦鎵砷。
全文摘要
一種量子級聯(lián)探測器結構，包括一襯底；一下歐姆接觸層，該下歐姆接觸層制作在襯底上，該下歐姆接觸層進行高濃度摻雜從而實現(xiàn)與電極材料的歐姆接觸；一勢壘隔離層，該勢壘隔離層制作在下歐姆接觸層上的中間部位，使下歐姆接觸層的四周形成臺面，該勢壘隔離層不摻雜；一多周期的有源區(qū)結構層，該多周期的有源區(qū)結構層制作在勢壘隔離層上，該多周期的有源區(qū)結構層是實現(xiàn)探測器的探測光電流的核心部位；一上歐姆接觸層，該上歐姆接觸層制作在多周期的有源區(qū)結構層上，該上歐姆接觸層進行高濃度摻雜從而實現(xiàn)與電極材料的歐姆接觸；一上電極，該上電極制作在上歐姆接觸層上；一下電極，該下電極做在下歐姆接觸層四周的臺面上。
文檔編號H01L31/101GK101894876SQ20101019186
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權日2010年6月4日
發(fā)明者劉俊岐, 劉峰奇, 孔寧, 李路, 王利軍, 王占國 申請人:中國科學院半導體研究所